通信界的冉冉新星——硅光子技術(shù)

　　硅光子是一種令人振奮的技術(shù)，是基于硅和硅基襯底材料(如 SiGe/Si、SOI 等)，利用現(xiàn)有 CMOS 工藝進(jìn)行光器件開發(fā)和集成的新一代技術(shù)，結(jié)合了集成電路技術(shù)的超大規(guī)模、超高精度制造的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢(shì)，是應(yīng)對(duì)摩爾定律失效的顛覆性技術(shù)。這種組合得力于半導(dǎo)體晶圓制造的可擴(kuò)展性，因而能夠降低成本。

　　硅光子架構(gòu)主要由硅基激光器、硅基光電集成芯片、主動(dòng)光學(xué)組件和光纖封裝完成，使用該技術(shù)的芯片中，電流從計(jì)算核心流出，到轉(zhuǎn)換模塊通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)發(fā)射到電路板上鋪設(shè)的超細(xì)光纖，到另一塊芯片后再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

　　硅光子(SiP)實(shí)現(xiàn)廉價(jià)且規(guī)模生產(chǎn)的光連接，從根本上改變光器件和模塊行業(yè)。未來三五年內(nèi)，這種情況還不會(huì)發(fā)生，但硅光子技術(shù)可能在下個(gè)十年證明它是破壞性。基于硅光子的光連接與電子ASIC、光開關(guān)，或者(可能)新的量子計(jì)算設(shè)備的集成，將打開一個(gè)廣闊的創(chuàng)新前沿。

　　關(guān)于在硅晶圓上實(shí)現(xiàn)光傳輸?shù)摹肮韫庾印奔夹g(shù)，其實(shí)商用化和研發(fā)的推進(jìn)速度都超過了預(yù)期。其中，日本的進(jìn)展尤其顯著。日本在高密度集成技術(shù)和調(diào)制器等的小型化方面世界領(lǐng)先，在CMOS兼容發(fā)光技術(shù)和光子結(jié)晶的開發(fā)方面的成果也震撼全球。硅光子技術(shù)的應(yīng)用范圍有望從目前的主要用途——電路板間的數(shù)據(jù)傳輸擴(kuò)大到芯片間和芯片內(nèi)的傳輸。

　　硅光子技術(shù)目前的主要用途是嵌在有源光纜中的光收發(fā)器IC

　　預(yù)計(jì)到2022年，硅光子光收發(fā)器市場(chǎng)將超20億美元，在全球光收發(fā)器市場(chǎng)中占比超20%。從出貨量來看，到2022年，硅光子光收發(fā)器在總光收發(fā)器出貨量中的占比將不到2.5%。這些產(chǎn)品中的大多數(shù)將是高端產(chǎn)品--100G或以上速率，因此定價(jià)也相對(duì)較高。

　　這似乎與許多業(yè)內(nèi)專家的期望相悖，即希望硅光子能實(shí)現(xiàn)廉價(jià)且規(guī)模生產(chǎn)的光連接，并且取代現(xiàn)有的InP和GaAs平臺(tái)。然而，如果硅光子的主要優(yōu)勢(shì)是集成，它將會(huì)是最適合需要大量集成的復(fù)雜高端設(shè)備的技術(shù)。未來十年或二十年，分立、2X和4X集成產(chǎn)品(將2個(gè)或4個(gè)光功能組合到單個(gè)發(fā)射器或接收器上面)將持續(xù)依賴InP和GaAs技術(shù)。事實(shí)上美國在InP等光集成領(lǐng)域同樣取得了領(lǐng)先世界的成就，由于硅并不能直接產(chǎn)生激光，相比InP材料存在一定弱勢(shì)，其商用步伐也落在InP材料器件之后。光集成一定是光通信器件的發(fā)展方向，很難說未來三五年各種光集成技術(shù)將取得怎樣的突破，所以硅光子能在多大程度上成功替代還有待觀察。

　　但是在支持者眼中，硅光子幾乎是光通信走向集成的唯一選擇。一方面是因?yàn)樵诠韫庾宇I(lǐng)域已經(jīng)走得很遠(yuǎn)，尤其是美國，英特爾在IDF上推出的100G硅光子收發(fā)器令業(yè)界震撼，此次100G硅光子收發(fā)器被譽(yù)為硅光子史上的革命突破。

　　另一方面，許多硅光子學(xué)可以利用的新應(yīng)用，包括高性能的電腦、電信、感測(cè)器、生命科學(xué)以及量子運(yùn)算等高階應(yīng)用。此外，還有兩項(xiàng)新興應(yīng)用對(duì)于硅光子而言也特別令人感興趣——瞄準(zhǔn)自動(dòng)駕駛車應(yīng)用的雷達(dá)(Lidar)，以及生物化學(xué)與化學(xué)感測(cè)器，均可從整合的光學(xué)功能以及進(jìn)一步的微型化中受益。而且硅光子晶片將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越銅布線的能力，而其解決方案可望部署于高速的訊號(hào)傳輸系統(tǒng)中。

　　預(yù)計(jì)在2025年及其后，這項(xiàng)技術(shù)將更廣泛地用于處理互連多核心與處理器晶片等應(yīng)用中。以晶片級(jí)而言，這一市場(chǎng)預(yù)計(jì)將在2025年時(shí)達(dá)到15億美元。